感受奇妙多樣的滲透作用

姜聯合 編譯

（中國科學院植物研究所 北京 100093）

滲透作用在生物系統中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性，滲透作用是水分子進出細胞的主要途徑。發生滲透作用時，哪些分子發生了運動？高滲、低滲和等滲溶液又是怎樣區別的？滲透作用還有哪些更奇妙的過程，在此過程中，細胞形狀發生了怎樣的變化？親手做實驗，感受滲透作用的多樣。

1 背景知識

滲透作用是指溶液，例如水，通過一個選擇性透過膜的擴散，這個膜就像是細胞膜。當膜兩側溶液的濃度不同時就會發生滲透。假如半透膜的兩側都是蒸餾水，雖然水分子不斷穿過半透膜，但最終的結果是沒有滲透作用發生。然而假如在膜兩側的溶液濃度不同，則水的濃度也不同，因為當一個溶液的濃度增加時，其中水的濃度會隨之下降。水濃度的降低程度是由溶液中溶質的分子個數而不是分子的種類決定，因為一個溶質分子取代一個水分子的位置。

一個溶液中所有溶質在水中形成的總濃度被稱為摩爾滲透壓濃度（osmolarity）。當半透膜兩側是等體積而不同滲透壓濃度的溶液時，最終將發生溶劑的順濃度梯度擴散（通常是水的擴散）。當一種溶液的濃度高于另一種時，該溶液即被稱為高滲溶液；當2種溶液滲透壓濃度相等時，其被稱為等滲溶液；當一種溶液比另一種溶液的濃度低且滲透壓濃度也低時，這種溶液即稱為低滲溶液。

滲透作用指的是溶劑分子從高溶劑濃度向低溶劑濃度移動的過程。細胞膜對于水來說是完全通透的，因此細胞所處的外環境對細胞會產生巨大的影響。

滲透壓（tonicity of a solution）指的是某種溶液對于細胞的作用力。高的溶液對于細胞來說含有高濃度的溶質。當細胞處在高滲透壓溶液中時，外環境中溶質的濃度高于細胞中的，因此水在滲透作用下從細胞流向外環境中，導致細胞皺縮（圖1）。

圖1 細胞在不同滲透壓作用下的變化

低滲透壓溶液：相較于細胞來說溶液中溶質的濃度較低。當細胞（例如紅細胞）處于低滲透壓溶液中時，水由外環境流入細胞，導致細胞膨脹甚至被脹破。

等滲透壓溶液：相較于細胞來說溶液中具有等量的溶質。當細胞處在等滲透壓溶液中時，進出細胞的液體維持動態平衡，最終細胞膜兩側的液體并沒有流動。因而細胞的形狀也不會發生變化。在人身體內包圍著細胞的溶液就是等滲透壓溶液。滲透作用在生物系統中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性。總的說來，這些膜對于大分子的有機溶質，例如多糖，是不通透的；而對于水及其他不帶電荷的溶質是通透的。通透性取決于溶解性，電荷性或是化學性，以及溶質的大小。水分子通過2種途徑進入細胞：一種是直接穿過磷脂雙分子層，另一種是通過水通道蛋白（這是一種小的跨膜蛋白，中間有一個小孔可以讓水自由進出）。滲透作用是水分子進出細胞的主要途徑。

2 實驗目的

1）預測分子穿過半透膜運動的結果；

2）明確發生滲透作用的時候哪種分子發生了運動；

3）觀察由滲透作用引起的液體體積變化；

4）明確高滲、低滲和等滲溶液。

3 實驗材料

5 g玉米淀粉（滿滿一藥匙）；大試管和瓶塞；碘液；小塑料袋；橡皮條；250 mL燒杯；100 mL的量筒。

4 實驗步驟

1）在帶塞的試管中將玉米淀粉與50 mL水混合均勻。

2）將混勻的淀粉溶液裝入塑料袋并用橡膠帶封口。

3）量取100 mL水倒入250 mL的燒杯中。

4）在燒杯中加入10滴碘液。

5）將塑料袋放入該燒杯，使袋中的淀粉溶液完全浸沒在燒杯的液體中。

6）15 min后記錄實驗結果。

5 思考題

1）滲透作用和擴散作用的區別是什么？（滲透作用是溶劑從含水多的溶液中透過半透膜向含水少的溶液運動的過程。擴散作用是分子從高濃度的地方向低濃度的地方移動的過程。）

2）分子傾向于從高濃度的地方向低濃度的地方移動。

在本實驗開始前：

①袋中的溶液和燒杯中的溶液哪一種淀粉的濃度更高？（袋子。）

②袋中的溶液和燒杯中的溶液哪一種碘液的濃度更高？（燒杯。）

③對于碘液來說袋子中的溶液和燒杯中的溶液哪一種是高滲溶液？（燒杯。）

④對于淀粉溶液來說袋子中的溶液和燒杯中的溶液哪一種是高滲溶液？（袋子。）

表1 分子從高濃度的地方向低濃度的地方移動記錄表

3）根據你觀察的結果，碘和淀粉哪一種物質發生了運動？

（碘移動了。袋子中溶液的顏色改變，并且由于燒杯中的水減少而袋子中的水增加了，說明水由燒杯向塑料袋中移動。）

4）你如何確定這一點？袋子的顏色發生變化同時燒杯中的水減少了。

①塑料袋對于哪種物質來說是通透的？（水和碘。）

②塑料袋具有選擇透過性嗎？（是的。）

③燒杯中的水如何變化？為什么會發生這種現象？（燒杯中的水濃度高而塑料袋中的水濃度低，因而水順濃度梯度向塑料袋中移動，燒杯中的水減少。）

④畫一個燒杯和杯子的草圖，用箭頭說明擴散是如何發生的。

5）如果將淀粉溶液放在燒杯中而將碘溶液放在塑料袋中會發生什么現象？（淀粉溶液仍然是高滲溶液，水和碘向燒杯中的淀粉溶液移動。）

6）為什么不能用塑料袋儲存碘？（袋子對于碘來說是通透的，它會依據滲透作用向袋子外面移動。）